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2017年  第28卷  第6期

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基于地貌分类的黄河源区多年冻土层地下冰储量估算
王生廷, 盛煜, 曹伟, 李静, 马帅, 胡晓莹
2017, 28(6): 801-810. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.001
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摘要:
地下冰作为多年冻土区别于其他土体的显著特征，对寒区水文、生态环境和工程建设等都有深刻影响。为准确估算多年冻土层地下冰储量，基于黄河源区地貌及其成因类型，结合岩性组成、含水率等105个钻孔的野外实测数据，估算了黄河源区多年冻土层3.0~10.0 m深度范围内地下冰储量，并讨论了浅层地下冰的空间分布特征。研究结果表明：黄河源区多年冻土层3.0~10.0 m深度范围内地下冰总储量为（49.62±17.95） km3，平均单位体积含冰量为（0.293±0.107） m3/m3；在水平方向上，湖积湖沼平原、冰缘作用丘陵等地貌单元含冰量较高，而侵蚀剥蚀台地、冲洪积平原等地貌单元含冰量较低；在垂向上，多年冻土上限附近含冰量较高，并随深度呈减小的趋势。
陕北黄土区流域分水线土壤干层分布
董爽, 李同川, 郭成久, 贾玉华, 金珊
2017, 28(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.002
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陕北黄土区切沟密集，地形支离破碎，地形与植被共同作用下土壤水分状况较为复杂。通过长期定位观测深剖面土壤含水量，分析了流域分水线深层土壤水分时空动态及干层分布特征。研究结果表明：生长季0~3 m土层土壤水分亏缺，生长季后1.2 m以上土层亏缺水分得到补充，但该深度以下土壤水分含量未得到恢复，其中2.6~6.4 m深度范围缺水严重，流域分水线土壤水分含量出现明显的垂直分层现象；各观测点土壤含水量随深度的分布曲线、极值出现深度和干层深度范围不同，剖面干层随各分水线走向表现出不连续分布的特点；分水线干层平均起始深度为2.03 m，厚度为0.4~8 m，干层土壤含水量均值为9.03%，干层厚度与起始深度和干层土壤含水量均呈负相关关系。比较而言，陕北黄土高原干层发育严重程度较突出。相关研究结果可为流域土壤水资源分布及土壤水库功能评价提供理论依据。
设计暴雨雨型对城市内涝影响数值模拟
侯精明, 郭凯华, 王志力, 荆海晓, 李东来
2017, 28(6): 820-828. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.003
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为分析设计暴雨雨型对城市内涝的影响，应用耦合了水文和水动力过程的数值模型，以陕西省西咸新区为研究区域，对不同重现期及峰值比例设计暴雨条件下的内涝过程进行模拟，并对内涝积水总量、不同积水深度内涝面积等量值进行对比分析。结果表明：设计暴雨重现期短于20年时，峰值比例较小的设计暴雨内涝积水总量较大，而重现期长于20年时，规律相反；除2年一遇设计暴雨外，峰值比例较大的设计暴雨致涝总面积较大，但其中影响严重的Ⅳ级致涝面积较小；设计暴雨峰值比例越小，重现期越长，积水总量峰值时刻相对于暴雨峰值时刻的迟滞时间越长。揭示了暴雨雨型与内涝积水程度的量化规律，对更合理地开展城市雨洪管理工作具有指导意义。
沟灌土壤湿润体空间矩特征参数估算模型
聂卫波, 马孝义, 聂坤堃, 费良军
2017, 28(6): 829-838. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.004
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为进一步增加矩分析理论在研究沟灌土壤湿润体运移特性方面的实用性，采用数值模拟和理论分析相结合的方法，定量分析了土壤初始含水率、入渗水深、沟底宽和边坡系数等因素对沟灌自由入渗条件下土壤湿润体空间矩特征参数的影响，并建立了其与主要影响因素间的函数关系式。结果表明，土壤初始含水率、入渗水深和沟底宽对垂直向土壤水分分布的质量重心影响较大；水平向湿润锋的平均离散度主要受土壤初始含水率、入渗水深、沟底宽和边坡系数的影响，而垂直向对土壤初始含水率和入渗水深变化的敏感性较高；选取不同土壤质地对所建模型的可靠性进行了验证，结果表明所建模型估算不同入渗时刻的空间矩特征参数值与根据HYDRUS软件模拟结果所得计算值具有高度一致性，所有验证组合条件下两者相对误差绝对值均值均低于8.5%，且无显著性差异，说明所建模型估算沟灌土壤湿润体空间矩特征参数具有高度可靠性。研究结果可为沟灌灌水方案设计和管理提供理论基础和技术支撑。
坡面泥石流降雨预报模型
余斌, 朱云波, 刘秧
2017, 28(6): 839-848. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.005
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中国东部地区的地质灾害多以坡面泥石流的形式发生，预测预报坡面泥石流的发生对于开展防灾减灾具有重要意义。地形、地质和降雨三大条件是影响坡面泥石流发生的主要条件。通过选择同样地质条件和基本相同降雨条件的区域，研究影响坡面泥石流发生的地形条件，并得出可以用于坡面泥石流预报的坡面泥石流地形条件。结果表明：地形条件由坡面坡度因子、泥石流上部因子、泥石流侧面因子和临空面因子组成；较大的地形条件T对应较大的泥石流发生可能性；降雨条件由泥石流发生前的降雨量与1 h降雨量组成；得出了由地形条件T和降雨条件R组成的坡面泥石流预报条件P，P值越大，坡面泥石流发生的可能性越大。预报条件P可以预报坡面泥石流的发生。
刚性植被区域床面泥沙起动特性
薛万云, 吴时强, 吴修锋, 戴江玉, 杨倩倩, 王芳芳
2017, 28(6): 849-857. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.006
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为研究植被环境中床面泥沙起动特性，以天然河道中的植被及沙床为原型，对刚性植被环境中床面形态变化及泥沙起动规律进行了试验研究，并采用单位床面空间平均流速表述植被环境中泥沙的起动流速。研究结果表明，淹没植被条件下动床床面泥沙运动可分为3个阶段，即静止、部分起动及全部起动阶段，定义第3个阶段为刚性植被环境中泥沙起动的标准；推导的淹没刚性植被环境中的泥沙起动流速半经验函数关系式可以表述植被环境中泥沙起动特性，其中植被因子Fv对泥沙起动的影响最明显；植被密度一定时，植株周围冲坑深与空间平均流速成线性关系。研究认为采用植被环境中单位床面空间平均流速表述泥沙起动特性的方法是可行的。
基于力学过程的蓄滞洪区洪水风险评估模型及应用
果鹏, 夏军强, 陈倩, 李娜
2017, 28(6): 858-867. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.007
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为定量评估分蓄洪工程启用过程中蓄滞洪区的洪水风险等级，创建了基于力学过程的蓄滞洪区洪水风险评估模型。该模型采用二维水动力学模块计算蓄滞洪区的洪水演进过程，利用洪水中人体跌倒失稳公式及洪水中房屋、农作物损失的计算关系式，评估各类受淹对象的洪水风险等级。然后将二维水动力学模块计算的洪水要素与两个物理模型试验值进行对比，表明二维水动力学模块的计算精度良好。最后计算了荆江分洪工程启用时分洪区内洪水的演进过程，并评估洪灾中群众的危险等级和财产损失。计算结果表明：洪水演进至140 h时，蓄滞洪区群众、房屋、水稻和棉花的平均损失率分别为85%、59%、63%和72%。模型中提出的采用基于受淹对象失稳机制的洪水风险分析方法，比以往经验水深法划分风险等级的适用性更好，不仅能为洪水风险管理及蓄滞洪区启用标准制定提供参考，也能推广应用于溃坝或堰塞湖溃决等极端洪水风险评估。
基于结构网格的溃坝水流数值模拟
曹引, 冶运涛, 梁犁丽, 蒋云钟, 赵红莉, 王浩, 严登明
2017, 28(6): 868-878. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.008
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针对溃坝水流数值模拟面临的复杂地形和不规则边界等问题，基于结构网格建立了适应复杂地形和不规则边界的溃坝水流数值模拟有限体积模型（HydroM2D）。模型基于具有守恒特性的二维浅水方程，利用HLLC格式的近似Riemann解计算网格界面通量，利用MUSCL-Hancock法不断向前积分，使模型在时空上具有二阶精度；对源项进行离散处理确保模型的稳定性；模型引入有效干湿边界和不规则地形边界处理方法，准确模拟了干湿单元的动态交替和复杂边界上的水流特性。最后分别利用水槽试验、物理模型和实际算例对模型进行验证。结果表明，该模型对不同情景下的溃坝洪水模拟结果和实测资料以及现有模型模拟结果具有较高的一致性，模拟精度较高，稳定性较好，具有推广应用价值。
仿自然鱼道整体物理模型试验研究
徐进超, 王晓刚, 宣国祥, 郑飞东, 黄岳
2017, 28(6): 879-887. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.009
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摘要:
仿自然鱼道不仅能满足多种鱼类的洄游需要，同时还增加了河道内鱼类生境的数量与多样性，近来越来越受到人们的重视。由于仿自然鱼道结构复杂，断面型式多变、边坡及底部材质粗糙，糙率估算困难等，目前尚无完善的研究方法。结合新干枢纽仿自然鱼道工程，建立了1∶12的整体物理模型试验，对鱼道初步设计方案的水流条件进行了论证。结果表明，采用常规鱼道的研究方法控制鱼道内底坡、底宽、池室长度、偏移率和透水率等参数，然后通过整体物理模型试验进行验证和优化，可有效地用于指导仿自然鱼道的设计。与常规鱼道相比，仿自然鱼道受断面型式及建造材料的尺寸误差等影响，鱼道线路内流速差异明显。特别是鱼道转弯段，偏移率受弯道影响，流速易出现较直线段高或低的情况。研究成果为工程的设计提供了参考依据，同时为仿自然鱼道的设计和研究提供了参考。
突发水污染事故中污染物输移主导水动力识别——以深圳湾为例
陶亚, 雷坤, 夏建新
2017, 28(6): 888-897. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.010
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摘要:
河口地区感潮河段水动力过程复杂，为在突发水污染事故中合理制定精细化应急方案，基于环境流体水动力模型（EFDC）从水动力学角度对不同水文条件下深圳河口水域突发水污染事故的影响范围、时间及程度进行了数值模拟分析，提出了一种判断河口海湾地区主导水动力因素的分析方法。采用基于傅里叶变换的频谱分析法对事故中污染物输移扩散的主要影响因子进行了准确识别，并采用单因变量多因素方差分析法进行了印证。结果表明，潮流是感潮河段水动力过程的主要驱动因素，但在突发水污染事故中，深圳河各断面特征污染物浓度变化与陆地径流关系密切，径流是感潮河段内突发事故中特征污染物输移的主导动力因素。
排放角度对波浪环境中圆管射流运动和稀释特性的影响
陈永平, 孙朴, 王娅娜, 徐振山, 江东勃, 张玉玲
2017, 28(6): 898-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.011
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摘要:
采用粒子图像测速和平面激光诱导荧光技术对波浪环境中倾斜射流的运动和稀释特性进行了实验研究，对比分析了排放角度对射流瞬时运动形态、时均速度场和时均浓度场的影响。实验结果表明排放角度的变化对波浪环境中射流的运动形态、速度分布和混合范围等均有显著影响。当射流顺波浪方向运动时，射流主体段速度剖面呈双峰分布，达到初始浓度20%、30%、40%和50%的混合范围随排放角度增加而先增大后减小；当射流逆波浪方向运动时，射流速度剖面双峰分布不明显，相应的混合范围随排放角度增加而减小。在波浪牵引和射流卷吸的共同作用下，逆向射流的稀释效果总体上优于与垂线方向相同夹角的顺向射流。
磨刀门河口环流与咸淡水混合层化机制
吕紫君, 冯佳佳, 郜新宇, 汪玉平, 张梦茹, 孔俊
2017, 28(6): 908-921. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.012
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为研究磨刀门盐水混合层化特征，基于SCHISM模型，建立了三维盐度数值模型，根据实测资料对其进行验证。结合水体势能异常理论，对枯季磨刀门河口混合层化的时空变化特征及深槽与浅滩的层化机制差异进行分析。结果表明：磨刀门河口小潮时水体层化最强，中潮时水体层化最弱，且拦门沙至挂定角段水体层化始终较强。磨刀门深槽水体层化主要受纵向平流、纵向水深平均应变和垂向混合影响，而浅滩水体层化则受横向平流、横向水深平均应变和垂向混合影响；磨刀门河口表、底层水体湍动能耗散率较高，而中间水层存在低耗散区，且涨潮时湍动能耗散率比落潮时大。
南水北调中线工程典型倒虹吸进口上游垂向流速分布
付辉, 郭新蕾, 杨开林, 郭永鑫, 王涛
2017, 28(6): 922-929. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.013
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倒虹吸是输水工程中常见的水工建筑物，研究倒虹吸进口上游的垂向流速分布是明晰其水力学性能的重要内容之一。以南水北调中线工程典型的唐河倒虹吸为研究对象，通过水力学概化模型试验，运用声学多普勒流速仪，实测不同水深和流量组合工况下倒虹吸进口上游的垂向流速分布。试验结果表明，受倒虹吸进口结构的影响，上游垂向流速分布呈现出明显的顶部流速降低和底部流速增加的现象，且淹没度越大、距离倒虹吸进口越近，上述趋势越显著；采用明渠对数型流速分布描述上述垂向流速分布时，其计算误差呈抛物线型分布，采用指数项修正后，新的修正公式可用于计算倒虹吸进口上游垂向流速分布。
变化环境对城市暴雨及排水系统影响研究进展
熊立华, 闫磊, 李凌琪, 江聪, 杜涛
2017, 28(6): 930-942. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.014
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摘要:
近年来，变化环境（气候变化和城镇化）导致城市暴雨的发生频率或强度增加，加剧了城市暴雨洪涝问题。因此，分析变化环境对城市暴雨及排水系统的影响对城市水资源规划管理、市政规划设计和城市防灾减灾有着重要意义。总结了未来高精度降雨预估技术、变化环境下排水系统设计标准等关键问题的研究进展，综述了变化环境下城市短历时暴雨演变规律及变化环境对城市排水系统影响的研究现状，探讨了变化环境对城市短历时暴雨的影响机理，并归纳了当前研究变化环境对城市暴雨及排水系统影响的主要方法。指出今后应重点加强的研究：①加强气候变化和城镇化对城市短历时暴雨影响机制的研究；②提升区域气候模式对城市区域下垫面和大气相互作用的描述能力，并加强公里尺度对流可解析模型在城市气候变化影响研究中的应用；③加强对变化环境下排水系统设计标准的研究；④综合评估气候变化和城镇化对城市排水系统超载、污染物转移和水安全等的影响。
地下水污染源识别的数学方法研究进展
王景瑞, 胡立堂
2017, 28(6): 943-952. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.06.015
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摘要:
地下水污染源识别模型可利用有限的观测资料估计污染源位置、污染物泄露强度及其泄露过程，是制定地下水污染修复方案的依据。在阐明地下水污染源识别基本问题基础上，综述了污染源识别研究的两大类数学方法，一类为直接方法，包括反向追踪法和基于正则化的方法；另一类为间接方法，包括基于优化的方法和基于概率统计的方法。同时指出了当前污染源识别数学方法应用中存在的主要问题：地下水污染源识别问题的复杂性、地下水有机污染问题和模型求解效率的低下性。对土壤-地下水的联合管理、基于物联网的地下水污染监测、对非水相流体（Non-aqueous Phase Liquid，NAPL）类污染源识别以及基于图形处理器（GPU）的异构并行计算将是未来研究的重点方向。

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